超声波数据传输系统.docx
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超声波数据传输系统
微芯杯电子设计报告
超声数据传输系统
队员名单：
注：
主办方胡乱出题，没有验证可行性。
但是经过不懈努力，基本上实现了30米的超声波通信
【摘要】本系统作品基于超声波发射头T40和超声波接收头R40，利用超声波实现了数字信号的近距离传输。
发射部分利用数字电路555产生40k标准的矩形波用作载波，并采用了升压中周，以提高发射功率，从而提高数据传输距离。
接收部分经过前级放大，滤波，自动增益控制，后级放大，包络检波，迟滞比较等模块，实现了数据的准确提取。
MCU采用ARM系列单片机F103zet6，通过单片机的处理，实现数据的自动发送和显示。
具有方便直观的人机界面。
系统数据传输误码率低，具有一定的使用价值。
【关键词】超声波自动增益控制包络检波stm32
【Abstract】ThissystembaseonT40andR40whichoneisanultrasonic
transmitterandtheotherisanultrasonicreceiver.Andweusetheultrasonictoachievethatdigitalsignalcanbetransmissioninacloserange.Fortheradiatingportion,weuseIC555toproducethecarriersignalwhosefrequencyis40K.Atthesametime,transformerisusedtopromotetheenergywhichtheradiatingportionused.Forthereceiver,therearesixpartsintotal.Apreamplifier，afilter,anAGCmodel,apost-amplifier,aenvelopedetector,andahysteresiscomparatorareallincludedinthissystem.WorkingwiththeMCUARMF103zet6,thereceivercanreceiveandsendmessageswithalowbiterrorrate.Ithaspracticalapplicabilitytosomeextent.
【keyword】ultrasonicAGCenvelopedetectorF103zet6
一方案论证及比较3
1.1调制方式的选取3
1.2载波信号的产生3
1.3前端放大器的设计4
1.4AGC电路的设计5
1.5编码方式的选择6
二系统方案设计与参数计算7
2.1系统总体方案7
2.2硬件电路设计7
2.2.1载波信号电路7
2.2.2滤波电路设计8
2.2.3包络检波电路设计8
2.3软件流程设计8
三测试方法及数据8
3.1测试方法简介9
3.2基础部分测试数据9
3.3发挥部分测试数据9
四测试结果及分析10
五小结10
六参考文献11
一、方案论证与比较
1.1调制方式的选择系统要实现数字信号的发送，由于信道中干扰较大，所以必须将数字信号通
过一定的方式叠加到模拟信号上，从而在信道中更好的传输。
【方案一】采用PSK调制方法，利用模拟开关，使高低电平数字信号控制模拟开关在两个相位差为180度的载波信号之间选择。
信号解调时采用相干解调的方式提取出原数字信号，在进行进一步的处理。
【方案二】采用FSK调制方法。
FSK调制方式的实现也可以采用模拟开关，在两个不同的频率点之间选择，高低电平对应的载波频率不同。
在接收端可用滤波器来解调，调制和解调均比较方便。
【方案三】采用ASK调制方法。
ASK调制过程实现简单，通过数字信号与载波信号相乘即可以实现。
【方案选择】由于我们采用的是超声波传输信号，超声波相对光速来说非常
慢，环境中的多径效应对波形的相位影响较大，故不适宜采用PSK调制方法。
而对于FSK，由于超声波发射器T40是采用共振模式工作的，对于非40K的载波信号不能引起它的共振，故而不能发出。
而对于ASK调制方式，在高电平时有40K的载波信号发出，低电平时没有信号发出。
系统容易实现，且包络检波即可解调，电路简单。
综合上述，故选择方案三。
1.2载波信号的产生系统要实现数字信号的发送，必然需要调制，载波信号的产生就是必然的了。
【方案一】采用运放NE5532与基本的电阻电容构成方波发生电路。
该电路如下：
电路的优点是结构简单，频率稳定，占空比可调。
【方案二】采用数字电路555构成基本的振荡电路，电路如下：
【方案选择】采用运放搭建方波振荡电路结构简单。
但是需要调制电路，才能实现信号的调制，但是如果用数字电路555，通过他的使能端RST即可实现调制，电路简单可靠。
综上，故选择方案二。
1.3前级放大器设计
由于R40接收到的信号为uV级别的小信号，所以前端放大电路就显得十分必要。
【方案一】采用OP07构成前级放大器，OP07具有极低的输入噪声，和极低的偏置电压，适宜于小信号的放大。
【方案二】采用ne5532构成的三运放仪表放大电路，电路具有较高的输入阻抗和较高的共模抑制比，具有极其优异的性能。
【方案三】采用运放OP37构成的正相放大器作为前级放大的电路，电路结构简单。
【方案选择】OP07虽然具有极低的噪声和极低的偏置电压，但是他的转换速率比较低，只适宜直流信号和低频信号的放大。
由NE5532构成的仪表放大器电路虽然性能较高，但是电路颇为复杂。
OP37也是低噪声运放，其偏置偏压可以通过引脚调节，同时它具有较高的转换速率，完全能胜任本系统的放大任务，且电路结构简单。
综上,故选择方案三。
1.4AGC电路的选取为了消除不同距离接收到的信号强度不同，从而影响解调的问题，故在接
收部分设计了AGC电路。
【方案一】采用AD603构成的宽范围AGC电路来实现自动增益控制，电路如下图所示：
【方案二】采用VCA810构成得AGC电路。
如下：
【方案选择】方案一的AGC电路性能良好，但是结构复杂。
方案二由VCA810加上少量的外围器件构成性能良好的AGC电路，完全能满足本系统的要求。
综上：
故选择方案二。
1.5编码方式的选择
【方案一】奇偶校验编码采用就校验编码，当每一个字节中有奇数个位的数据出错是，能够有效检测
出，从而舍弃数据，重新接收。
可以在一定程度上减少误码。
【方案二】海明码编码海明码是一种纠错码，采用海明码进行编码，可以对数据进行纠错，提高数
据准确性，但是增加了编码长度，对传播速度和传播效率有所降低。
【方案三】只发送数据，不进行任何编码。
在不出现误码的情况下，这种方法效率最高。
【方案选择】经过实际传播实验，发现，当信道能够传播数据时，收到的数据基本上保持
零误码。
当信道出现误码的时候，误码率极大，检错码和纠错码均无多大作用，当不采用任何校验进行编码，传输效率高，而且，只要信道合适，不会出现误码，因此，选择方案三。
二、系统方案设计及参数计算
2.1系统总体方案
2.2硬件电路设计
2.2.1载波信号产生电路
如图所示，为40KHz方波振荡电路的设计图.f=1.443/（（R2+2*R1）*c）
T1=0.693*（R1+R2）*CT2=0.693*R1*C
若占空比为50%，则R1>>R2;令R2=500Ω，C1=3200pF，解得R1=5.4KΩ，实际上R1采用滑动变阻器进行微调。
2.2.2滤波电路
如图电路采用了二阶sallen-key高通滤波器，滤除电路中的低频噪声，电路图如下：
截止频率f=1/（2π*sqrt（R1R2C1C2））；所以令C1=C2=1.5nF，解得R1=3KΩ；R2=4KΩ。
2.2.3包络检波电路设计
包络检波在接收电路中起着极其重要的作用，它是将电路的接收信号转换为我们原数字信号的关键。
电路图如下：
载波信号的周期为1/（40K）=0.025mS，假设电路以1Kbps的速率发送数字信号，那么每个bit的周期为1mS。
设定电容量为10nF，设定放电时间常数为0.1mS.计算可得，电阻R1=10KΩ。
2.3软件流程设计
2.3.1发射端设计流程
2.3.1接收端设计流程
三、测试方法及数据
3.1测试方法简介测试时，发射端利用单片机发射任意字母或者数字，在接收端接收信号并显
示在HB12864上，方便观察。
通过比较发射部分和接收部分的差异，从而计算出误码率等参数。
整机功耗的测定则是采用输入电压乘以输入电流的方式来测定。
3.2基础部分测量数据
发射距离10m
节点电压显示
是
节点温度显示
是
编辑短信长度
30
发射时间
1S
误码率
0
发射部分功耗
0.6w
接收部分功耗
0.7w
3.3发挥部分测量数据
显示发射节点地址
01
传送字符数
Asdfghjkl123456
传送时间
小于1s
误码率
0
传送距离
30米
发送部分整机功耗
0.6w
接收部分整机功耗
0.7w
4.测试结果及分析通过以上数据测量以及数据处理。
我们可以得出如下结论：
1.本系统较好的完成了基础部分和发挥部分要求的各项指标，但是通信距离受环境的影响较大，在外界干扰较小的情况下，通信距离可以达到30米以上。
5.小结
经过一个月不懈的努力制作调试。
本系统较好的完成了要求的各项指标，收获很多，非常感谢芯空科协对此次活动的举办。
六、参考文献
《微弱信号检测》高晋占，清华大学出版社（第二版）
《德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用和选型指南》黄争，德州仪器半导体技术（上海）有限公司大学计划部
《模拟电路分析与设计基础》吴援明唐军，科学出版社
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